Тема реакторов на быстрых нейтронах для нашего издания входит в число приоритетных. Мы предлагаем читателям вернуться к истокам отечественной быстрой программы - быстрому натриевому реактору БН-350. Поможет нам Рудольф БАКЛУШИН, эксперт МАГАТЭ с многолетним стажем, долгое время работавший заместителем главного инженера БН-350. Сегодня мы публикуем третью статью, подготовленную Рудольфом Петровичем.
Парогенератор "натрий-вода"
Самым "болезненным" элементом реакторной установки с БН-350 оказались парогенераторы (ПГ) "натрий-вода". С другой стороны, время, затраченное проектантами и оперативным персоналом на устранение возникших с ПГ проблем, позволило получить, без преувеличения, бесценный опыт, использованный при создании следующих реакторов БН.
Можно выделить две причины, которые привели к сложностям на БН-350:
При разработке средств контроля и защиты ПГ большее внимание уделялось обнаружению и локализации больших течей. Кстати говоря, с этой задачей созданные системы справлялись на "отлично". Однако для малых течей проектные системы контроля обладали слишком большой инерционностью, что не позволяло обнаруживать течи своевременно.
В 1973 и 1974 годах на БН-350 случилось восемь течей, в том числе две больших. Практически все они возникали на нижней кромке сварного шва, соединявшего штампованое донышко трубки Фильда с самой трубкой. Результатом инцидентов являлся вывод ПГ - и, соответственно, петли - в ремонт, что требовало введения ограничений по мощности установки.
Ремонт, выполнявшийся методом глушения дефектных трубок, не давал положительных результатов. При каждом последующем пуске ПГ возникали течи в других трубках.
Справиться с ситуацией удалось после проведения в 1974-1975 годах капитального ремонта пяти ПГ с полной заменой трубных пучков испарителей. Трубки Фильда 32×2 мм со штампованными донышками были заменены на трубки 33×3 мм с точёными донышками. Хотя полностью случаи течей исключить не удалось, но их количество резко сократилось.
К моменту начала вывода установки из эксплуатации наработка испарителей составляла 160000-180000 часов. Результатом течей было ограничение максимальной мощности ПГ и, соответственно, РУ. Максимальная достигнутая мощность РУ БН-350 составляла 75% от номинальной.
Необходимо подчеркнуть, что один из первоначальных ПГ проработал без течей более 56000 часов, а затем был заменен на ПГ новой конструкции. Этот факт свидетельствует о крайней важности качественного изготовления парогенераторов.
Главный вывод, который удалось сделать по итогам анализа опыта пуска и эксплуатации ПГ - это подтверждение целесообразности одностенной конструкции ПГ. Кроме того, было показано, что уже созданные для БН-350 парогенераторы обеспечивают безопасность эксплуатации, хотя и не являются совершенными.
Большое количество течей - в том числе таких, при которых в контур с объемом натрия 70 м3 попадало до 1000 л воды - а также случаи отказов элементов системы защиты дали возможность получить уникальный опыт. Среди прочего, удалось сформулировать требования к конструкции ПГ, к его системам контроля и защиты, включая вопросы быстродействия и резервирования, отработать алгоритмы работы защиты, способы обнаружения дефектной трубки при остановке после малой течи, когда дефект закрывается, технологию различных видов ремонта и контроля герметичности после них, наконец, технологию очистки натриевого контура от очень больших загрязнений теплоносителя.
Результаты, полученные на БН-350, были учтены при проектировании РУ БН-600. В последнем была принята секционно-модульная конструкция ПГ. Для парогенераторов были использованы более совершенные системы и устройства защиты, значительно улучшено оснащение ПГ БН-600 системами контроля герметичности теплообменной поверхности, принципиально другие решения приняты по обвязке ПГ и действиям в случае течи.
Прочее оборудование
Холодные ловушки
Холодные ловушки с натрий-калиевым охлаждением хорошо зарекомендовали себя на РУ БН-350. Они оказались очень удобными в работе.
При очистке петель второго контура после больших течей и значительных загрязнений натрия продуктами реакции натрия с водой были выявлены некоторые недостатки ловушек, связанные с масштабным фактором - переходом от исследовательского реактора малой мощности к энергетической РУ.
В частности, выходные трубопроводы ловушки в месте установки расходомера не имели теплоизоляции. В этом месте происходило отложение окислов, которые присутствовали в натрии на выходе из ловушки в виде взвеси. С течением времени, отложения полностью перекрывали сечение.
Найденная проблема была устранена за счёт изменения схемы обвязки ловушек. Для проектантов новых установок с натриевым теплоносителем был выработан набор рекомендаций.
Следует отметить, что переход в БН-600 на холодные ловушки, охлаждаемые воздухом, был связан не с недостатками ловушек БН-350, но с упрощением технологической части энергоблока.
Электромагнитные насосы
Электромагнитные насосы трёх типов с производительностью от 10 до 150 м3/ч использовались на БН-350 во вспомогательных натриевых системах. Они удобны в эксплуатации, позволяют легко регулировать расход. Принципиальных трудностей с ними не возникало, хотя имели место случаи повреждения насосов при неправильном размораживании.
Натриевая технология
При создании и освоении натриевой технологии в промышленных масштабах потребовалось решить следующие задачи:
Все решения, которые вырабатывались в 60-ых годах для БН-350, впоследствии органично вошли в проекты всех отечественных быстрых натриевых реакторов. Стоит добавить, что некоторые из решений не были готовы к моменту разворота работ на БН-350 и поэтому напрямую были использованы БН-600 и в следующих проектах.
Обеспечение промышленного производства натрия реакторной чистоты, возможности контроля качества, поставки промышленных партий натрия, подготовки его к заливке в контура АЭС
В этом направлении были разработаны методы химического анализа натрия, временные технические условия на натрий реакторной чистоты, выбран поставщик натрия, способный в основном обеспечить эти технические условия, и решены вопросы поставки промышленных партий его в специальных ёмкостях, разработаны требования и условия подготовки натрия к заливке в контура реакторной установки.
Не все решения по поставке даже в то время рассматривались как удачные. Поставка осуществлялась в емкостях объемом 1 м3, что потребовало приёма и обработки около 1200 таких ёмкостей. Кроме того, в ёмкостях имелась примесь парафина, использовавшегося на заводе-изготовителе для защиты натрия от окисления. Этот парафин приходилось удалять при подготовке натрия. Однако эти проблемы были связаны с возможностями завода и не могли быть решены в то время.
Анализ полученного на БН-350 опыта позволил на новой основе подойти к делу при строительстве БН-600. Все поставленные вопросы были решены и согласованы с промышленностью. В частности, была отлажена технология у нового поставщика - Березниковского химического комбината, было обеспечено требуемое качество натрия, а его поставка осуществлялась в железнодорожных цистернах объемом 32 м3.
Хотелось бы упомянуть ещё одно важное, новое для того момента решение, связанное с подготовкой натрия для БН-350, - обоснование отказа от дистилляции поставляемого натрия и об очистке его на холодных ловушках.
Разработка методов подготовки контуров к заполнению их натрием, исключающих забивание трубопроводов и оборудования различными загрязнениями
Данный пункт едва не превратился в "яблоко раздора" и стал предметом ожесточённых научных дискуссий. ФЭИ в 1963-1965 годах подготовил обоснование для отказа от водных или каких-либо других промывок смонтированных жидкометаллических контуров и систем БН-350. Такой подход вызвал критику у многих вовлечённых в проект организаций.
Тем не менее, предложение Обнинска было претворено в жизнь, и, как выяснилось впоследствии, оказалось правильным. В обоснование отказа от промывок в ФЭИ были проработаны требования к состоянию поставляемого на монтаж оборудования и блоков трубопроводов, к качеству и чистоте монтажа натриевых систем. Далее эти требования были включены в монтажную технологию, а при монтаже оборудования осуществлялся жёсткий надзор за их неуклонным выполнением.
В результате, никаких принципиальных трудностей при пуске натриевых систем, связанных с послемонтажными загрязнениями не было. Температура забивания после заполнения натрием первого контура не превышала 200°С. Методы обеспечения чистоты монтажа были успешно использованы и на установке БН-600.
Освоение эксплуатации натриевых контуров с объемами натрия в сотни кубических метров, проведение исследований работы систем и влияния масштабного фактора
Работы по этому направлению начались с создания в 1965 году программы пуско-наладочных работ для БН-350. Программа охватывала всю последовательность работ на натриевых системах, начиная с приёмки, очистки и накопления инертного газа и натрия и кончая выводом реактора на энергетический уровень мощности. Проблемы, выявленные в процессе работы над программой, потребовали пересмотра ряда проектных решений. На основе ее позднее составлялись программы пуска реакторных установок БОР и БН-600.
В программе был разработан типовой порядок операций, испытаний и проверок при вводе в эксплуатацию натриевых систем. Для наиболее сложных систем - первого и второго контуров - был предусмотрен отдельный порядок действий.
Сложность программы для первого контура заключалась в том, что это разветвлённая гидравлическая система с параллельно работающими насосами. Работоспособность каждого насоса и устойчивость такой системы при разном числе и сочетании работающих ГЦН и при их разной скорости вращения необходимо было экспериментально проверить и подтвердить. Также необходимо было выработать алгоритм пуска ГЦН, так как работа в контуре только одного или двух насосов на полных оборотах была невозможна.
Для петель второго контура особенно сложным представлялся вопрос о безопасности при первом совмещении в парогенераторе воды и натрия. Дело в том, что на тот момент такой опыт в стране отсутствовал. Поэтому в программе пришлось предусмотреть поочередную проверку каждого контура отдельно, наладку систем контроля и защиты, и только после этого совмещение теплоносителей в ПГ. Такая задача была решена, а накопленный опыт позволил упростить первоначально предусмотренную последовательность операций.
Программа предусматривала большой ряд исследований работы натриевых систем и оборудования на различных этапах работ, необходимых для проверки расчётов, обосновывающих эксплуатационные и аварийные режимы, меры безопасности и так далее.
Выполнение заданной последовательности работ и исследований обеспечило ввод в работу практически без трудностей всей технологической схемы, и только заводские дефекты в парогенераторах воспрепятствовали выводу установки на полную мощность.
Если говорить об опыте непосредственной эксплуатации натриевых контуров с точки зрения технологии теплоносителя, то были получены данные о скоростях накопления примесей и выведения их холодными ловушками, о загрязнениях, возникающих после ремонтов, о возможности очистки контуров от углеродосодержащих веществ и так далее.
Работа холодных ловушек без каких-либо проблем обеспечивала поддержание температуры забивания в первом и втором контурах в установленном диапазоне - 130-150°С. В 1990 году была выполнена регенерация ловушек, позволившая практически восстановить их эффективную ёмкость.
Создание надежных конструкций парогенераторов "натрий-вода", систем контроля и защиты для них
О проблемах ПГ "натрий-вода" на РУ БН-350 уже говорилось в начале статьи. Здесь хотелось бы добавить, что уже на ранних стадиях проекта в ФЭИ была обоснована необходимость одностенного разделения натрия и воды в парогенераторе. После этого в Обнинске были развёрнуты расчётные и экспериментальные работы по исследованию условий, возникающих при больших течах, систем их обнаружения, защиты от повышения давления в контурах и так далее.
Это позволило решить проблему создания средств компенсации высокой химической активности натриевого теплоносителя. Течи парогенераторов в БН-350 не привели к недопустимым повреждениям, какими считались разрывы трубопроводов или корпусов оборудования, хотя и серьезно ограничили возможности установки. Изменения, внесенные на основе этого опыта в БН-600, обеспечили успешную работу блока на проектной мощности.
Освоение методов ремонта натриевого оборудования, оптимизация мер защиты натрия во вскрываемом контуре от окисления, а персонала - от возможного воздействия натрия
Ремонтные работы на БН-350 обычно не вызывали трудностей. ГЦН, пучки теплообменников, арматура 500 мм были спроектированы в ремонтоспособном исполнении. Для их извлечения из контура не требовались резка трубопроводов большого диаметра или заход в помещения первого контура. Выемные части такого оборудования поднимались краном центрального зала после срезки усиковых уплотнений и разбалчивания фланцев в полуобслуживаемых помещениях.
Для защиты внутренних полостей контура от окисления при извлечении из него указанного крупногабаритного оборудования использовались мягкие и жёсткие скафандры, причём для активного оборудования они имели биологическую защиту. Для отмывки оборудования от натрия перед ремонтом проектом были предусмотрены специальные ванны с подводом азота, пара, воды и дезактивирующих растворов.
Кроме того, при проведении ремонтов широко использовалось замораживание натрия в коммуникациях. Так, при ремонте парогенераторов натрий замораживался в трубопроводах диаметром 500 мм. Разогрев после конца ремонта велся от свободной поверхности и при соответствующих мерах предосторожности не вызывал повреждения оборудования и арматуры.
Из опыта ремонтов необходимо отметить один важный вывод: ремонтируемый участок должен отделяться от работающих систем не менее чем двумя барьерами на пути возможного движения натрия, то есть либо двумя вентилями, либо закрытым вентилем и замороженным участком трубопровода.
Передача опыта натриевой технологии проектным и конструкторским организациям, эксплуатационному персоналу АЭС
За время проектирования и освоения установок БН-350, БОР и БН-600 сотрудники проектных и конструкторских организаций получили необходимые знания и опыт и в настоящее время успешно решают большинство проблем самостоятельно.
Особое внимание уделялось подготовке эксплуатационников и передаче им необходимого опыта работы с натрием. Эта задача решалась как путем чтения курсов лекций, так и командированием опытных специалистов для работы на станции.
Каким требованиям удовлетворяла безопасность РУ БН-350? Какие нуклиды определяли обстановку в помещениях первого контура? Стоит ли бояться натриевого теплоносителя? Об этом и многом другом читайте в заключительной статье цикла.
ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru
ДАТА: 08.04.2008
Темы: АЭС, Быстрые натриевые реакторы, История, Рудольф Баклушин, Россия